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Dal peso atomico alla moleapprofondimento

Bagatti, Corradi, Desco, Ropa, Scopriamo la chimica © Zanichelli Editore

Moli ed equazioni chimicheCoefficienti stechiometrici e moli di sostanze

Consideriamo la reazione di preparazione dell’ammoniaca (NH3) rappresentata dalla seguente equazione chimica (figura 1):

N2  3 H2 → 2 NH3

Questa equazione può essere letta in due modi:

n 1 molecola di azoto si combina con 3 molecole di idrogeno per formare 2 molecole di ammoniaca

n 1 mole di azoto si combina con 3 moli di idrogeno per formare 2 moli di ammoniaca.

In generale in ogni equazione chimica i coefficienti stechiometrici sono numeri che indicano in quale relazione si trovano le particelle dei reagenti e dei prodotti; questi stessi coefficienti rappresentano anche la relazione tra le moli delle sostanze che par-tecipano alla reazione. Considerando l’equazione della reazione di preparazione dell’ammoniaca, possia-mo scrivere la seguente relazione che mostra il rapporto tra le moli di ammoniaca prodotta e le moli di idrogeno che hanno reagito:

moli di NH3moli di H2

 2]3

Questa relazione consente di calcolare le moli di ammoniaca che si formano trasfor-mando una qualunque quantità chimica di idrogeno:

moli di NH3  2]3

  moli di H2

Sulla base dei coefficienti stechiometrici dunque è possibile calcolare le moli di una sostanza che partecipa alla reazione conoscendo la quantità chimica di un reagente o di un prodotto.

Figura 1 L’ammoniaca è una so-stanza prodotta in grande quantità perché serve come materia prima in numerosi campi di applicazione (ferti-lizzanti, materie plastiche, esplosivi).

L’ipoclorito di sodio (NaClO) è una sostanza che viene utilizzata in solu-zione acquosa come sbiancante nell’industria tessile e della carta e come disinfettante nel trattamento delle acque, per esempio le acque utilizzate nelle piscine. L’ipoclorito viene preparato attraverso una rea-zione descritta dalla seguente equazione chimica:

2 NaOH  Cl2 → NaClO NaCl H2O

Vogliamo far reagire una quantità chimica di cloro (Cl2) pari a 3,4 mol.

Quante moli di idrossido di sodio (NaOH) occorrono?

Per rispondere è sufficiente considerare i coefficienti stechiometrici: essi indicano che le moli di idrossido devono essere in numero doppio di quelle di cloro. La relazione da utilizzare è la seguente:

quantità chimica di NaOH  2  3,4 mol 6,8 mol

Possiamo concludere che per far reagire 3,4 mol di Cl2 sono necessarie 6,8 mol di NaOH.

Considera la reazione tra il tiosolfato di sodio (Na2S2O3), sostanza utilizzata come fissatore in fotografia, e l’acido cloridrico. L’equazione chimica è la seguente:

Na2S2O3 2 HCl → S 2 NaCl H2O SO2

Calcola le moli di cloruro di sodio (NaCl) e di zolfo (S) che si formano facendo reagire completamente 1,5 mol di HCl.

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Come si risolvono i problemi di stechiometria

Vogliamo ora risolvere un problema pratico: quanta anidride carbonica viene pro-dotta per ogni litro di benzina bruciato da un’autovettura? La benzina è una miscela di molti idrocarburi, composti costituiti da carbonio e idrogeno. Per semplificare il calcolo possiamo considerare la benzina come se fosse costituita da uno solo dei suoi componenti, l’ottano. L’equazione della reazione di combustione dell’ottano è la seguente:

2 C8H18   25 O2 : 16 CO2 18 H2O 1000 mL ?

Ovviamente l’ottano reagisce tutto dato che l’ossigeno è presente nell’aria in largo ec-cesso. Per risolvere il problema dobbiamo calcolare la quantità chimica di ottano e per fare questo dobbiamo come prima cosa calcolare la massa di 1000 mL di questo com-posto. Dato che la sua densità vale 0,702 g/mL, la massa di 1000 mL è 702 g. A questo punto, calcolata la massa molare dell’ottano (MMC8H18  114,22 g/mol), possiamo calcolare le moli di ottano:

nC8H18  m

MM

702 g114,22 g /mol

6,15 mol In base all’equazione di reazione possiamo scrivere: nCO2

nC8H18

16]2

Pertanto le moli di anidride carbonica si possono calcolare nel seguente modo:

nCO2 6,15 mol 16]2

49,2 mol

Calcoliamo infine la massa di anidride carbonica (MMCO2   44,01 g/mol) prodotta dalla combustione di un litro di ottano:

mCO2 n  MM 49,2 mol 44,01 g/mol 2,17  103 g

Questo calcolo teorico trova riscontro nella realtà: infatti le prove sperimentali dimo-strano che mediamente ogni litro di benzina bruciato produce circa 2,5 kg di anidri-de carbonica (figura 2)!

Ora sei in grado di risolvere il problema lasciato in sospeso all’inizio del paragrafo 3, cioè quello di calcolare la massa di CO2 prodotta dalla combustione del propano, supponendo che la sua massa sia 200 g. Basandoti sull’equazione di reazione, calcola la massa di anidride carbonica che si ottiene dalla combustione completa del propano.

Figura 2 In Italia circolano ben 40 milioni di veicoli. Questi veicoli, oltre a intasare le strade e le autostrade, emettono nell’aria vari inquinanti e una grande quantità di anidride carbo-nica. Sapendo che ogni veicolo per-corre mediamente 40 000 km all’an-no, si ha l’emissione di circa 85 Tg di anidride carbonica, corrispondenti a 85 miliardi di kilogrammi.

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esercizi

5 Il carburo di calcio è un solido che reagisce con l’acqua e forma idrossido di calcio e acetilene, un gas molto infiam-mabile:

CaC2(s)  2 H2O(l) : Ca(OH)2(aq) C2H2(g)

Se si fanno reagire 150 g di carburo di calcio, quale volu-me di aceti lene, misurato in condizioni STP, si ottiene?

6 Supponiamo che in una centrale elettrica a carbon fossile vengano quotidianamente bruciati 1,27 · 105 kg di combu-stibile, che contiene il 90% di carbonio. L’equazione della reazione di combustione è la seguente:

C(s) O2 (g) : CO2(g)

a) Calcola quanti kilogrammi di anidride carbonica vengono ogni giorno immessi nell’atmosfera.

b) Quante moli di ossigeno vengono «consumate» ogni giorno?

7 La reazione di combustione dell’idrogeno viene rappre-sentata dalla seguente equazione:

2 H2(g) O2(g) : 2 H2O(g)

Vengono mescolati 200 L di ossigeno con 200 L di idro-geno, entrambi misurati a STP.

a) Individua il reagente che reagisce completamente.

b) Calcola la massa di acqua che si forma.

8 Un minerale calcareo contiene il 60% di CaCO3. Riscal-dando il minerale a 1000 °C il carbonato di calcio si de-compone in CaO e CO2. Calcola la quantità di anidride carbonica che si sviluppa dalla decomposizione di 10 g di minerale.

a 4 mol

b 0,060 mol

c 0,264 g

d 4 g

e 0,090 mol

1 I coefficienti stechiometrici hanno un duplice significato; spiega perché possono essere letti in due modi.

2 Considera la relazione tra moli e coefficienti stechiome-trici: quali affermazioni sono vere e quali false?

a) I coefficienti stechiometrici di una equazione chimica rappresentano i rapporti tra le moli dei reagenti e quelle dei prodotti. v f

b) I coefficienti stechiometrici sono definiti e immutabili in quanto stabiliscono che la massa degli atomi non cambia. v f

c) I coefficienti stechiometrici rappresentano le masse dei reagenti e dei prodotti coinvolte in una reazione chimica. v f

d) I coefficienti stechiometrici rappresentano i rapporti minimi tra le particelle che reagiscono e quelle che si ottengono. v f

3 Il benzene, un idrocarburo presente nelle benzine, brucia secondo la seguente equazione:

2 C6H6   15 O2 : 12 CO2 6 H2O

a) Quante moli di ossigeno sono necessarie per bruciare completamente 20 mol di benzene?

b) Quante moli di acqua si ottengono bruciando com-pletamente 10 mol di benzene?

c) Quante moli di benzene occorre bruciare per ottenere 1,2 mol di anidride carbonica?

d) Quante moli di benzene possono reagire con 45 mol di ossigeno?

4 La seguente equazione chimica

2 Mg   O2 : 2 MgO

può fornire diverse informazioni; indica l’unica sbagliata.

a 2 mol di magnesio reagiscono con 1 mol di ossigeno per dare 2 mol di ossido di magnesio

b 2 atomi di magnesio reagiscono con 1 molecola di os-sigeno per dare 2 molecole di ossido di magnesio

c 20 mol di magnesio reagiscono con 10 mol di ossige-no per dare 20 mol di ossido di magnesio

d 2 g di magnesio reagiscono con 1 g di ossigeno per dare 2 g di ossido di magnesio

e 1 mol di magnesio reagisce con 0,5 mol di ossigeno per dare 1 mol di ossido di magnesio